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Fluid structure interaction (FSI) based wind load modeling for dynamic analysis of overhead transmission lines

Authors
Publisher
McGill University
Publication Date
Keywords
  • Engineering - Civil
Disciplines
  • Computer Science
  • Mathematics

Abstract

Nos sociétés sont fortement dépendantes de l'électricité, et il ne fait pas de doute que la fonctionnalité des lignes de transport est déterminante pour assurer la fiabilité des réseaux électriques modernes. En effet, la continuité de l'approvisionnement en électricité reste la préoccupation majeure de toutes les compagnies d'électricité, et cette continuité du service peut être compromise par une multitude d'incidents ou d'accidents sur l'ensemble du réseau. Parmi toutes les sources possibles de charges dynamiques sollicitant les lignes de transport, celles provenant des effets du vent sur les pylônes et les conducteurs restent les plus fréquentes. Les conducteurs de lignes sont particulièrement vulnérables aux effets du vent car les portées sont longues et flexibles (comparé aux pylônes) et leur présence physique dans le réseau en font des structures exposées à toutes les intempéries qui peuvent survenir sur le territoire couvert. Cette vulnérabilité est encore plus grande dans les climats nordiques où les effets combinés du givrage atmosphérique et du vent créent des scénarios de charges de conception parmi les plus critiques et donc susceptibles de contrôler la conception finale des lignes. Il nous apparaît donc essentiel de comprendre la dynamique des fluides des effets du vent pour prédire avec réalisme et un degré de précision raisonnable la pression du vent exercée sur les conducteurs. Une meilleure évaluation des charges dues au vent permettrait par le fait même des prédictions plus réalistes de la réponse des lignes aux charges de vent, non seulement en terme de déplacements et dégagements électriques mais aussi en terme des charges nettes transférées aux pylônes par les conducteurs. La nature aléatoire des effets du vent sur les conducteurs a déjà fait l'objet de nombreuses études scientifiques et les méthodes d'analyse stochastique modernes permettent de cerner la question : les méthodes de conception simplifiées qui sont suggérées dans les normes et guides tiennent compte de ces effets en utilisant un coefficient de portée global qui ajuste à la baisse les efforts calculés au pylône sous des charges supposées synchrones et uniformes le long des conducteurs. Cette recherche ne concerne pas cet aspect de la question. Nous croyons que des gains de précision appréciables dans la prédiction des charges de vent sur les lignes sont possibles par une meilleure modélisation de la physique des effets du vent sur les conducteurs, dans les conditions givrées ou non, en utilisant les techniques d'analyse qui tiennent compte des interactions dynamiques fluide-structure. Ces interactions sont ignorées dans les méthodes d'analyse conventionnelles qui consistent simplement à calculer une pression statique proportionnelle à la vitesse carrée du fluide selon l'équation classique de Bernoulli. Bien sûr, les concepteurs ne négligent pas la considération des vibrations éoliennes ou du galop des conducteurs, mais ces phénomènes sont traités séparément et n'influencent pas le calcul des charges sur les pylônes. Dans cette recherche, nous nous intéressons aux conditions de vent de rafale avec grande turbulence qui caractérisent les tempêtes de vent. Ces vents forts et turbulents créent de grands déplacements des conducteurs qui modifient les conditions d'écoulement d'air. Une évaluation plus précise de ces conditions est possible par analyse computationnelle des interactions vent-conducteur.Les bases théoriques de la physique des phénomènes en présence sont connues mais aucun cadre d'application numérique n'a été proposé jusqu'à maintenant, en partie à cause des coûts numériques élevés mais aussi dû au manque de données expérimentales pouvant valider ces modèles computationnels.Nous avons développé un tel cadre d'analyse computationnelle dans cette recherche et l'avons illustré dans un cycle complet, du calcul des charges au calcul de la réponse d'une section de ligne, avec plusieurs exemples pratiques à chacune des étapes de développement

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